Java中的网络编程(UDP通信、TCP通信、Socket编程)

程序员文章站 2022-07-08 09:40:44

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Java中的网络编程(UDP通信、TCP通信、Socket编程)

1.网络模型概述

计算机网络之间以何种规则进行通信，就是网络模型研究问题。
网络模型一般是指
OSI七层参考模型
TCP/IP四层参考模型：主机至网络层(物理层 , 数据链路层) , 网际层 , 传输层 , 应用层(应用层 , 表示层 , 会话层)

Java中的网络编程(UDP通信、TCP通信、Socket编程)

上图给出了OSI七层参考模型和TCP/IP四层参考模型的对比图

下面分别介绍OSI的七层参考模型中每一层的作用及用途：

1.物理层：主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。
		   它的主要作用是传输比特流（就是由1、0转化为电流强弱来进行传输,到达目的地后在转化为1、0）。
		   这一层的数据叫做比特。 	
2. 数据链路层：主要将从物理层接收的数据进行MAC地址（网卡的地址）的封装与解封装。常把这一层的数据叫做帧。在这一层工作的设备是交换机，数据通过交换机来传输。 
3. 网络层：主要将从下层接收到的数据进行IP地址（例192.168.0.1)的封装与解封装。在这一层工作的设备是路由器，常把这一层的数据叫做数据包。 
4. 传输层：定义了一些传输数据的协议和端口号（WWW端口80等），如：TCP（传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据），UDP（用户数据报协议，与TCP特性恰恰相反，用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据，如QQ聊天数据就是通过这种方式传输的）。
		  主要是将从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地址后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。 
5.会话层：通过传输层（端口号：传输端口与接收端口）建立数据传输的通路。
		   主要在你的系统之间发起会话或者接受会话请求（设备之间需要互相认识可以是IP也可以是MAC或者是主机名） 
6.表示层：主要是进行对接收的数据进行解释、加密与解密、压缩与解压缩等（也就是把计算机能够识别的东西转换成人能够能识别的东西（如图片、声音等）。 
7.应用层： 主要是一些终端的应用，比如说FTP（各种文件下载），WEB（IE浏览），QQ之类的（可以把它理解成我们在电脑屏幕上可以看到的东西．就是终端应用）。

2.网络编程三要素

我们把IP地址、端口号和传输协议统称为网络编程三要素

A:IP地址:InetAddress: 网络中设备的标识，不易记忆，可用主机名
B:端口号: 用于标识进程的逻辑地址，不同进程的标识
C:传输协议: 通讯的规则常见协议：TCP，UDP

IP地址简述

（1）IP概述:所谓IP地址就是给每个连接在Internet上的主机分配的一个32bit地址。
（2）IP地址的组成
IP地址 = 网络地址+主机地址
A类IP地址:第一段号码为网络地址，剩下的三段号码为本地计算机的号码
B类IP地址:前二段号码为网络地址，剩下的二段号码为本地计算机的号码
C类IP地址:前三段号码为网络地址，剩下的一段号码为本地计算机的号码
（3）IP地址分类
A类 1.0.0.1—127.255.255.254
(1)10.X.X.X是私有地址(私有地址就是在互联网上不使用，而被用在局域网络中的地址)
(2)127.X.X.X是保留地址，用做循环测试用的。
B类 128.0.0.1—191.255.255.254 172.16.0.0—172.31.255.255是私有地址。
C类 192.0.0.1—223.255.255.254 192.168.x.x是私有地址
D类 224.0.0.1—239.255.255.254
E类 240.0.0.1—247.255.255.254
（4）特殊地址
127.0.0.1 回环地址,可用于测试本机的网络是否有问题. ping 127.0.0.1
DOS命令 ipconfig:查看本机IP地址
xxx.xxx.xxx.255 广播地址

InetAddress类

//获取主机名的 DOS 命令 ：hostname
A:InetAddress类的概述
	为了方便我们对IP地址的获取和操作，java提供了一个类InetAddress 供我们使用
	此类表示互联网协议 (IP) 地址。 
B:InetAddress类的常见功能
	public static InetAddress getByName(String host)
	public String getHostAddress()//获取IP
	public String getHostName()//获取主机名
	getLocalHost();
C:案例演示:	InetAddress类的常见功能
	InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("SHEN-MOU-MOU") ;
	InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("192.168.3.120") ;

InetAddress类测试代码


public class MyTest1 {
    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException {
        InetAddress inetAddress = InetAddress.getByName("LAPTOP-1MV9EIRG");
        //获取IP
        String ip = inetAddress.getHostAddress();
        System.out.println(ip);
        String hostName = inetAddress.getHostName();
        System.out.println(hostName);

        System.out.println("======================");
        InetAddress inetAddress1 = InetAddress.getByName("10.27.211.17");
        String hostName1 = inetAddress1.getHostName();
        System.out.println(hostName1);
        String hostAddress = inetAddress1.getHostAddress();
        System.out.println(hostAddress);
    }
}

运行结果为：
10.27.211.17
LAPTOP-1MV9EIRG
======================
LAPTOP-1MV9EIRG
10.27.211.17

端口和协议

A:端口
物理端口网卡口
逻辑端口我们指的就是逻辑端口
a:每个网络程序都会有一个逻辑端口
b:用于标识进程的逻辑地址，不同进程的标识
c:有效端口：0_{65535（两个字节），其中0}1023系统使用或保留端口。
B:协议
UDP 发短信
将数据源和目的封装成数据包中，不需要建立连接；
每个数据报的大小在限制在64k；
因无连接，是不可靠协议；
不需要建立连接，速度快

TCP 打电话视频
建立连接，形成传输数据的通道；
在连接中进行大数据量传输；
需要连接所以是可靠协议；
必须建立连接，效率会稍低

Socket通信

Socket=IP+端口号
（1）:Socket套接字概述：
网络上具有唯一标识的IP地址和端口号组合在一起才能构成唯一能识别的标识符套接字。
（2）:Socket原理机制：
通信的两端都有Socket。
网络通信其实就是Socket间的通信。
数据在两个Socket间通过IO传输。

3.UDP协议实现通信(收发数据)

UDP协议实现通信收发双方都是使用DatagramSocket类，发送端将数据封装在DatagramPacket数据报包中，接收端使用receive接收数据，当此方法返回时，DatagramPacket的缓冲区填充了接收的数据包，数据报包中包含接收端的IP地址和端口号，也包含了发送方的IP和发送方机器上的端口号

（1）UDP协议发送数据(DatagramSocket)

a: 创建UDP通讯客户端对象(DatagramSocket)

b: 创建数据报包 public DatagramPacket(byte[] buf, int length, InetAddress address,int port)

c: 发送数据

d: 释放资源

（2）UDP协议接收数据(DatagramSocket)

a: 创建UDP通讯协议服务器端对象(DatagramSocket) 注意要用有参数构造指定端口号

b: 创建数据报包,作用用来接收数据 // public DatagramPacket(byte[] buf, int length)

c: 接收数据 receive(dp) ;

d: 解析数据报包,拿出数据 dp.getData() ; dp.getLength() ;

e: 释放资源

//发送方
public class UDPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
        byte[] bytes = "你好，UDP，我来了".getBytes();
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, InetAddress.getByName("LAPTOP-1MV9EIRG"), 8888);
        ds.send(packet);       //发送数据包文
        ds.close();
    }
}


//接收方
public class UDPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(8888);//暴漏端口号
        byte[] bytes = new byte[1024];
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);//创建一个空的数据包
        System.out.println("服务器已经开启，等待接收数据.....")‘
        ds.receive(packet);//接收发送的数据，他需要一个空的数据报包，用来装发过来的数据

        //从数据报包里面，取出数据
        byte[] data = packet.getData();
        //从数据包中获取数据的实际长度
        int length = packet.getLength();
        String s = new String(data,0,length);
        InetAddress address = packet.getAddress();
        java.lang.String hostAddress = address.getHostAddress();
        int port = packet.getPort();
        System.out.println("IP:"+s+"端口:"+port+"==给你发来消息:"+s);
        ds.close();
    }
}

Java中的网络编程(UDP通信、TCP通信、Socket编程)

可以看到，接收端成功的接收到了发送方的数据

4.UDP协议发送端的数据来自于键盘录入

//发送端
public class UDPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket();

        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        while (true){
            System.out.println("请输入你要发送的数据");
            String msg = reader.readLine();
            byte[] bytes = msg.getBytes();
            DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, InetAddress.getByName("LAPTOP-1MV9EIRG"), 8888);
            //发送数据包文
            ds.send(packet);
            //自定义一个结束标记
            if ("886".equals(msg)) {
                break;
            }
        }
        //释放资源
        ds.close();
    }
}


public class UDPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        DatagramSocket ds = new DatagramSocket(8888);    //暴露端口号为 8888
        byte[] bytes = new byte[1024];
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
        System.out.println("服务器已经开启，等待接收数据.....");
        while (true) {
       // 此方法在接收到数据报前一直阻塞
            ds.receive(packet);
            byte[] data = packet.getData();
            int length = packet.getLength();
            String s = new String(data, 0, length);
            //数据报包中就包含发送方的IP地址和发送方机器上的端口号
            InetAddress address = packet.getAddress();
            java.lang.String hostAddress = address.getHostAddress();
            int port = packet.getPort();
            System.out.println("IP:" + s + "端口:" + port + "==给你发来消息:" + s);
            if ("886".equals(s)) {
                break;
            }
        }
    }
}

程序运行结果如下：

Java中的网络编程(UDP通信、TCP通信、Socket编程)

5.多线程实现聊天室程序

使用UDP实现互相聊天，图解如下：

Java中的网络编程(UDP通信、TCP通信、Socket编程)

//A计算机
public class A {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //开启子线程，来接收B发来的消息
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    //暴露端口号为 8888
                    DatagramSocket ds = new DatagramSocket(9999);
                    byte[] bytes = new byte[1024];
                    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
                    System.out.println("A服务器已经开启，等待接收数据.....");
                    while (true) {
                        ds.receive(packet);//接收发送的数据，他需要一个空的数据报包，用来装发过来的数据
                        //从数据报包里面，取出数据
                        byte[] data = packet.getData();
                        //从数据包中获取数据的实际长度
                        int length = packet.getLength();
                        String s = new String(data, 0, length);
                        InetAddress address = packet.getAddress();
                        String hostAddress = address.getHostAddress();
                        int port = packet.getPort();
                        System.out.println("IP:" + s + "端口:" + port + "==B给你发来消息:" + s);
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        //主线程给B发消息
        sendMsg();
    }

    private static void sendMsg() {
        try {
            DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
            while (true){
                System.out.println("请输入你要发送给B的数据");
                String msg = reader.readLine();
                if ("886".equals(msg)) {
                    break;
                }
                byte[] bytes = msg.getBytes();
                DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, InetAddress.getByName("LAPTOP-1MV9EIRG"), 8888);
                //发送数据包文
                ds.send(packet);
            }
            ds.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}


//计算机B
public class B {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        // //用子线程开启服务端，来接收A发来的消息
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                  
                    DatagramSocket ds = new DatagramSocket(8888);
                    byte[] bytes = new byte[1024];
                    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
               
                    System.out.println("B服务器已经开启，等待接收数据.....");
                    while (true) {
                        ds.receive(packet);
                        //从数据报包里面，取出数据
                        byte[] data = packet.getData();
                        //从数据包中获取数据的实际长度
                        int length = packet.getLength();
                        String s = new String(data, 0, length);
                        InetAddress address = packet.getAddress();
                        String hostAddress = address.getHostAddress();
                        int port = packet.getPort();
                        System.out.println("IP:" + s + "端口:" + port + "==A给你发来消息:" + s);
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        // 主线程给A发消息
        sendMSg();
    }

    private static void sendMSg() {
        try {
            DatagramSocket ds = new DatagramSocket();
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
            while (true){
                System.out.println("请输入你要发送给A的数据");
                String msg = reader.readLine();
                //自定义一个结束标记
                if ("886".equals(msg)) {
                    break;
                }
                byte[] bytes = msg.getBytes();
                DatagramPacket packet = new DatagramPacket(bytes, bytes.length, InetAddress.getByName("LAPTOP-1MV9EIRG"), 9999);
                //发送数据包文
                ds.send(packet);
            }
            ds.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

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TCP协议实现通信

客户端发送数据，服务器接受数据并给出反馈

//客户端
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //A:
        //案例演示:
        //客户端发送数据，服务器接受数据并给出反馈
        Socket socket = new Socket("10.27.211.17", 6666);
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        out.write("你好，TCP，服务器，我来了".getBytes());

        //读取服务器的反馈
        InputStream in = socket.getInputStream();
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int len = in.read(bytes);//阻塞方法
        String s = new String(bytes, 0, len);
        System.out.println(s);

        //释放资源
        socket.close();
    }
}


//服务器端
public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket ss = new ServerSocket(6666);
        System.out.println("服务端已经开启，等待连接。。。。。");
        Socket sk = ss.accept();
        //获取通道中的输入流
        InputStream in = sk.getInputStream();
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int len = in.read(bytes);
        String s = new String(bytes, 0, len);
        System.out.println(s);

        //给客户端一个反馈
        OutputStream out = sk.getOutputStream();
        out.write("客户端你好，收到了你的消息".getBytes());
        //释放资源
        ss.close();
    }
}

程序运行结果：
TCPClient:客户端你好，收到了你的消息
TCPServer:服务端已经开启，等待连接。。。。。
		  你好，TCP，服务器，我来了

TCP协议上传文本文件

TCP协议上传文本文件(客户端读取文本文件发送数据到服务器端,服务器端读取数据存储到文本文件中)

//客户端读取文本文件发送数据到服务器端
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("10.27.211.17", 5555);
        //获取通道中的输入流和输出流
        InputStream in = socket.getInputStream();
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        BufferedReader reader= new BufferedReader(new FileReader("TCPClient.java"));//输入流关联一个文件
        String line=null;
        //包装通道中的输出流
        BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(out));
        while ((line=reader.readLine())!=null){
            writer.write(line);
            writer.newLine();
            writer.flush();
        }
        //释放资源
        socket.close();
        reader.close();

    }
}

//服务器端读取数据存储到文本文件
public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(5555);
        System.out.println("服务器已经开启等待连接。。。。。");
        Socket socket = serverSocket.accept();
        //获取通道中的输入输出流
        InputStream in = socket.getInputStream();
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        //包装通道中的输入流
        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
        BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new FileWriter("upload.java"));//输出流关联一个文件
        String line=null;
        while ((line=reader.readLine())!=null){
            writer.write(line);
            writer.newLine();
            writer.flush();
        }
        serverSocket.close();
        writer.close();

    }
}

TCP上传文本文件并给出反馈

容易出现的问题：
客户端连接上服务端，两端都在等待，没有任何数据传输。
原因分析：因为read方法或者readLine方法是阻塞式。

解决方法：

1.自定义结束标记
2：使用shutdownInput，shutdownOutput方法。
客户端上传文件结束后直接结束流对象

//客户端
public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket("10.27.211.17", 5555);
        InputStream in = socket.getInputStream();
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        BufferedReader reader= new BufferedReader(new FileReader("TCPClient.java"));
        String line=null;
        BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(out));
        while ((line=reader.readLine())!=null){
            writer.write(line);
            writer.newLine();
            writer.flush();
        }
        //给服务端手写一个标记，告诉服务端，我这边上传完了
       /* writer.write("over");
        writer.newLine();
        writer.flush();*/
        //可以用另一个方案,可户端传完之后，把通道中的是输出流关掉，服务端那边就不会在等待了。
        socket.shutdownOutput();

        //读取服务器端的反馈
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int len = in.read(bytes);
        System.out.println(new String(bytes,0,len));

        //释放资源
        socket.close();
        reader.close();

    }
}

//服务端
public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(5555);
        System.out.println("服务器已经开启等待连接。。。。。");
        Socket socket = serverSocket.accept();
        //获取通道中的输入输出流
        InputStream in = socket.getInputStream();
        OutputStream out = socket.getOutputStream();
        //包装通道中的输入流
        BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
        BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new FileWriter("upload3.java"));
        String line=null;
        while ((line=reader.readLine())!=null){
         /*   if ("over".equals(line)){
                break;
            }*/
            writer.write(line);
            writer.newLine();
            writer.flush();
        }

        //如果上传成功，给客户端一个反馈
        out.write("客户端你好，上传的文件已经收到".getBytes());
        serverSocket.close();
        writer.close();

    }
}

使用多线程的方式，让多个客户端上传文件到服务端


public class TCPClient {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //上传文本文件
        Socket socket = new Socket("10.27.211.17", 5555);
        //获取通道中的输入流和输出流
        InputStream in = socket.getInputStream();
        OutputStream out = socket.getOutputStream();


        BufferedReader reader= new BufferedReader(new FileReader("TCPClient.java"));
        String line=null;
        //包装通道中的输出流
        BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(out));
        while ((line=reader.readLine())!=null){
            writer.write(line);
            writer.newLine();
            writer.flush();
        }
        //给服务端手写一个标记，告诉服务端，我这边上传完了
       /* writer.write("over");
        writer.newLine();
        writer.flush();*/


        //可以用另一个方案,可户端传完之后，把通道中的是输出流关掉，服务端那边就不会在等待了。
        socket.shutdownOutput();

        //读取服务器端的反馈
        byte[] bytes = new byte[1024];
        int len = in.read(bytes);
        System.out.println(new String(bytes,0,len));

        //释放资源
        socket.close();
        reader.close();

    }
}

//服务端
public class TCPServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //让一个服务端。连接多个客户端
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(5555);
        System.out.println("服务器已经开启等待连接。。。。。");
        int i=1;
        while (true){
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println((i++)+"个客户端连接上来了");
            //为每一个连接上来的客户端，单独开启一个线程来处理
            //把每个客户端socket 传入到线程里面去
            new UpLoadThread(socket).start();
        }
    }
}

//多线程的方式写入文件
public class UpLoadThread extends Thread{
    private Socket socket;

    public UpLoadThread(Socket socket) {
        this.socket = socket;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            //获取通道中的输入输出流
            InputStream in = socket.getInputStream();
            OutputStream out = socket.getOutputStream();
            //包装通道中的输入流
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));
            BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new FileWriter(System.currentTimeMillis()+"upload.java"));
            String line=null;
            while ((line=reader.readLine())!=null){
             /*   if ("over".equals(line)){
                    break;
                }*/
                writer.write(line);
                writer.newLine();
                writer.flush();
            }
            //如果上传成功，给客户端一个反馈
            out.write("客户端你好，上传的文件已经收到".getBytes());
            writer.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

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Java中的网络编程(UDP通信、TCP通信、Socket编程)